一種數(shù)字化中子譜儀的采集存儲分析系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于中子譜儀領域，具體涉及一種數(shù)字化中子譜儀的采集存儲分析系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 最早的多道分析器是用機械原理構成的，以后又出現(xiàn)了一些由電子線路組成的多 道分析器，直至1950年首次以模-數(shù)變換器構成多道分析器之后，多道分析器才迅速發(fā)展 起來，并成為核實驗技術中必不可少的設備。現(xiàn)代的多道分析器除了以單參量脈沖幅度分 析方式獲取脈沖幅度譜之外，一般還具有以其他多種方式獲取實驗數(shù)據(jù)的功能，如雙參量 脈沖幅度分析、慢變化電壓的幅度分析式采樣測量、慢變化電壓的波形記錄式采樣測量、多 定標器式數(shù)據(jù)獲取、時間譜的測量等等。這樣，多道分析器就不僅用于核能譜的測量；在穆 斯堡爾譜（見穆斯堡爾譜學）的測量、核反應堆的動態(tài)特性測量、生物電信號的分析等方面 都有廣泛的應用。多道分析器一般由模-數(shù)變換器、數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、控制器等幾部分 構成。獲取的譜數(shù)據(jù)可以在顯示器上以數(shù)碼或譜曲線的形式顯示出來，也可以由快速打印 機或描跡儀輸出。帶有微處理機的多道分析器可以對獲取的原始數(shù)據(jù)進行處理，輸出實驗 的最終結果，如圖1所示，是典型的模擬核譜儀系統(tǒng)結構圖。
[0003]目前存在的不足：
[0004] 模擬核譜儀分析存儲系統(tǒng)：前端需要大量的模擬電路，在增加成本的同時，信號處 理的靈活度不高，模擬核譜儀分析存儲系統(tǒng)由于其ADC采樣率一般較低，為了獲得準確的 脈沖幅值信息，需要加峰保持電路，峰保持電路相當于增加了單個脈沖的時間周期，這樣就 相當于增加了系統(tǒng)死時間，限制了其在高計數(shù)率場合的應用。同時基線恢復電路雖然可以 將固定的電子學零點偏差進行系統(tǒng)誤差修正，不過由于探測器漏電路、電子元器件溫漂、電 源紋波等因素，核脈沖信號總是疊加在一個不穩(wěn)定的基線信號上，隨時間變化的基線，基線 恢復電路是無法修正的。這樣會對譜儀的系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生一定的影響。
[0005] 近年來，由于高速數(shù)字采樣技術的發(fā)展，以高速數(shù)據(jù)采集卡為核心的數(shù)字化多道 系統(tǒng)被廣泛應用于核多道譜儀系統(tǒng)。模擬核譜儀系統(tǒng)中由于對探測器輸出的信號進行極零 相消、放大成形、基線恢復、堆積判棄以及采樣保持等功能，對ADC的采樣速率要求不高，進 而后續(xù)的數(shù)字信號處理常采用一般的單片機等低、中速的處理模塊來進行多道脈沖幅度分 析。而數(shù)字核譜儀系統(tǒng)是以高速ADC為核心，對探測器輸出的信號無需太多的調理，直接通 過高速、高分辨率的ADC對前端輸出信號進行采樣，因此需要后續(xù)的數(shù)字信號處理器件完 成更多的信號處理任務。典型的數(shù)字核譜儀分析系統(tǒng)，如圖2所示。
[0006] 對于目前數(shù)字化譜儀而言主要不足是：1.其數(shù)字信號處理部分主要是基于現(xiàn)場 可編程門陣列FPGA芯片和DSP芯片。FPGA芯片程序存儲器RAM、ROM資源一般是比較有限 的。同時由于FPGA處理算法需要VHDL硬件編程語言來實現(xiàn)。由于受語言本身、VHDL語言 數(shù)據(jù)結構以及FPGA芯片RAM、ROM資源的限制，無法實現(xiàn)復雜的數(shù)學邏輯運算。2.不能保 持原有脈沖信號的數(shù)據(jù)，從而在一些需要脈沖重建離線分析的場合無法適用。這些不足在 一定程度上限制了數(shù)字化譜儀在一些要求復雜分析存儲系統(tǒng)上的應用。
【發(fā)明內容】
[0007] 針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種數(shù)字化中子譜儀的采集存儲分析系 統(tǒng)，不但解決了模擬核譜儀高計數(shù)率死時間過大以及分析系統(tǒng)動態(tài)基線修正的問題；還解 決了現(xiàn)有數(shù)字化譜儀無法實現(xiàn)復雜數(shù)學邏輯運算、離線脈沖重建以及粒子甄別算法的問 題。
[0008] 為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術方案是：提供一種數(shù)字化中子譜儀的采集存 儲分析系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集分析單元以及數(shù)據(jù)處理單元，其特征是：所述數(shù)據(jù)采集分析單元 用于采集待測輻射場的脈沖信息并將該脈沖信息通過信號分析模塊分析后傳輸給數(shù)據(jù)處 理單元；所述數(shù)據(jù)處理單元接收數(shù)據(jù)采集分析單元傳輸?shù)拿}沖信息并通過實時處理和離線 重建數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后，獲得入射脈沖的最大幅值，該入射脈沖的最大幅值是通過 數(shù)據(jù)采集分析單元連續(xù)采樣模式、實時處理和離線重建數(shù)據(jù)處理模塊的觸發(fā)方式，當采集 入射脈沖幅值大于處理模塊設置觸發(fā)閾值時，一個設定寬度的脈沖數(shù)據(jù)就會寫入計算機的 內存，單個脈沖數(shù)據(jù)由采集的子線程投遞到顯示處理的主線程，同時采集子線程將當個脈 沖數(shù)據(jù)保存到計算機硬盤，主線程完成將觸發(fā)閾值之前多個采樣點信號的平均值作為動態(tài) 基線值，在計算最大脈沖幅值中用最大值減去該動態(tài)基線值，得到該脈沖的最大幅值。
[0009] 進一步，所述數(shù)據(jù)采集分析單元包括高速數(shù)據(jù)采集卡，所述高速數(shù)據(jù)采集卡采用 雙通道AutoDM模式，將采集到的脈沖信息寫入板載內存的同時將板載內存數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?算機內存。
[0010] 進一步，所述高速數(shù)據(jù)采集卡采用異步雙通道AutoDM算法，采用硬件中斷的方 式，同時計算機分配獨立采集子線程，在單個脈沖數(shù)據(jù)投遞到主線程做實時算法處理同時， 將數(shù)據(jù)保存到存儲系統(tǒng)硬盤，進行脈沖離線重建。
[0011] 進一步，所述數(shù)據(jù)采集存儲分析單元包括高速流盤分析模塊，該模塊利用大規(guī)模 磁盤陣列存儲及信號分析處理模塊融合在一起，用于采集和記錄復雜環(huán)境中各種調制形式 的中頻或射頻信號，并將獲取的原始信號數(shù)據(jù)以高速直接存儲到磁盤陣列中。
[0012] 進一步，所述數(shù)據(jù)處理單元包括普標記模塊和粒子甄別模塊；所述譜標記模塊通 過高速數(shù)據(jù)采集卡的計數(shù)數(shù)組和入射粒子脈沖最大幅值獲得入射粒子脈沖幅度譜，然后通 過粒子甄別模塊進行粒子甄別算法給出入射粒子衰減時間譜，脈沖信號衰減結束后，建立 衰減時間譜粒子信息和脈沖幅度譜粒子信息的映射關系，通過衰減時間譜所選取的中子窗 或者Y射線窗獲得中子脈沖幅度譜和Y射線脈沖幅度譜。
[0013] 進一步，所述粒子甄別算法，即在系統(tǒng)上開辟一塊內存空間，用以復制從采集子線 程投遞的脈沖數(shù)據(jù)，遍歷數(shù)據(jù)處理模塊觸發(fā)閾之前的多個采樣點的平均值，作為單個脈沖 基線，遍歷單個脈沖所有采樣值，用最大值減去該脈沖基線作為粒子脈沖幅度譜能量信息， 最大值下降到80%和20%的時間差繪制粒子甄別時間譜。
[0014] 本發(fā)明的有益技術效果在于：
[0015] (1)本發(fā)明采集存儲分析系統(tǒng)通過采用高速數(shù)據(jù)采集卡，解決了模擬核譜儀高計 數(shù)率死時間過大難題；
[0016] (2)本發(fā)明通過采用高速流盤分析模塊，解決了模擬核譜儀分析系統(tǒng)動態(tài)基線修 正的問題；
[0017] (3)本發(fā)明通過采用數(shù)據(jù)實時分析離線重建模塊，解決了現(xiàn)有數(shù)字化譜儀無法實 現(xiàn)離線脈沖重建、復雜數(shù)學邏輯運算以及粒子甄別問題。
【附圖說明】
[0018] 圖1是現(xiàn)有技術模擬核譜儀系統(tǒng)的結構示意圖；
[0019] 圖2是現(xiàn)有技術數(shù)字化核譜儀分析系統(tǒng)的結構示意圖；
[0020] 圖3是未補償基線241Am-Be源甄別效果；
[0021] 圖4是補償基線241Am-Be源甄別效果；
[0022] 圖5是探測器原始采集脈沖信號重建的效果圖；
[0023] 圖6是中子能譜測量中子、Y射線實時甄別譜；
[0024]圖7是本發(fā)明數(shù)字化中子譜儀的采集存儲分析系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的描述。
[0026] 如圖7所示，是本發(fā)明數(shù)據(jù)化中子譜儀的數(shù)據(jù)化采集存儲分析系統(tǒng)的結構示意 圖。該采集存儲分析系統(tǒng)包括三部分；一、高速數(shù)據(jù)采集卡；二、高速流盤分析系統(tǒng)；三、數(shù) 據(jù)實時分析離線重建模塊。該高速數(shù)據(jù)采集卡通過探測器以及前置放大器采集待測物品信 息。
[0027] 以下分別介紹每部分構成。
[0028] 1、高速數(shù)據(jù)采集卡
[0029] 高速數(shù)據(jù)采集卡采樣率要求40M/s-lG/s，優(yōu)選為500M/s，分辨率要求12位以上， 優(yōu)選12位。板載內存大小IG以上，優(yōu)選2G。數(shù)字采集模式采用雙通道AutoDMA模式，高速 數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)寫入板載內存的同時將板載內存數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C內存，數(shù)據(jù)寫入板載 內存和數(shù)據(jù)從板載內存到計算機內存的過程是并行進行，這樣就不會丟失真實信號。設計 異步AutoDMA算法，采用硬件中斷的方式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)CPU占用率低、數(shù)據(jù)直接復制到計 算機內存，DM重啟時間快等優(yōu)點。
[0030] 2、高速流盤分析系統(tǒng)
[0031] 利用大規(guī)模磁盤陣列存儲及現(xiàn)代信號分析處理技術融合在一起，用于實現(xiàn)采集和 記錄復雜環(huán)境現(xiàn)場環(huán)境中各種調制形式的中頻或射頻信號，將獲取的原始信號數(shù)據(jù)以高達 I. 4GB/s速度直接存儲到磁盤陣列中，磁盤陣列采用SATA3協(xié)議利用RAID磁盤陣列卡掛 載10塊硬盤實現(xiàn)IOT磁盤陣列，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過8GB/s的高速內部總線提交給CPU高速處 理器，完成信號高速處理及分析。根據(jù)核設施周圍混合場輻射特性及工作環(huán)境要求，采用 ARP690便攜式加固機箱。使數(shù)據(jù)流實時存儲量大于lGB/s。
[0032] 3、實時處理和離線重建數(shù)據(jù)處理模塊
[0033] 數(shù)字化中子譜儀實時處理和離線重建數(shù)據(jù)處理軟件包括8個頂級菜單項，用以實 現(xiàn)不同的功能，包括：文件相關類型操作，采集相關操作，譜標記相關操作，窗口顯示相關操 作，粒子甄別相關操作，工具欄、狀態(tài)欄顯示相關操作，離線脈沖重建操作，幫助文檔等。采 用連續(xù)采樣模式，軟件觸發(fā)方式，當采集入射脈沖幅值大于軟件設置觸發(fā)閾值時，1個設定 寬度的脈沖數(shù)據(jù)會寫入計算機內存，單個脈沖數(shù)據(jù)由采集子線程投遞到顯示處理主